CN114700623B - 一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法 - Google Patents

一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法，属于焊接技术领域。解决了坡莫合金焊后接头软磁性下降严重，难以满足使用的问题。它包括对坡莫合金板进行坡口加工，使用保护气罩通入保护气对焊接过程进行保护，调整激光束与试板表面法线方向夹角；设置激光焊接参数及摆动参数，进行焊接；单层焊接结束后，将待焊试板翻转进行双面焊接，清理焊道去除氧化膜，清理结束后并进行预热处理，达到预热温度后放入夹具中，完成待焊试板装夹，继续重复步骤3，完成焊接；将焊接完成的试板进行焊后热处理。它主要用于坡莫合金的焊接。

Description

一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，特别是涉及一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法。
背景技术
坡莫合金(1J85镍基合金)属于软磁性材料，具有较高的初磁导率和较低的矫顽力，在较小的磁场中即可被磁化并达到饱和，对弱信号反应灵敏；同时坡莫合金易于加工成薄金属带，因此广泛应用于电子电力、航空航天、核工业等国防关键领域中。焊接作为坡莫合金重要的连接手段，存在着焊后接头软磁性下降严重的问题，难以满足坡莫合金的软磁性的使用需求。因此开发一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法，是坡莫合金焊接结构件能否得到实际广泛应用的关键。
坡莫合金焊接接头的软磁性对元素分布均匀性、塑性变形和内应力、晶体结构、高温停留时间等非常敏感。影响坡莫合金焊接接头软磁性主要有以下四个因素：
(1)元素分布均匀性：Si元素是非磁性元素，它会明显阻碍再结晶过程中晶界的迁移，并且导致晶粒在再结晶回火中具有择优生长的特点，因此焊接接头中Si元素的偏析会降低坡莫软磁性；
(2)塑性变形和内应力：经过焊接热循环后，焊接接头局部急热急冷，会发生塑性变形并产生内应力，塑性变形和内应力会导致金属内出现位错滑移和晶格畸变，这会对磁畴壁的移动起到阻碍的作用，导致软磁性降低；
(3)晶体结构：焊接后焊缝组织相对于母材来说，晶体从焊前各向同性趋于焊后的各向异性，导致合金的各向异性趋势增大。同时，1J85镍基合金是属于面心立方晶体结构的，其易磁化方向为(111)，该方向的峰值降低将导致合金磁导率降低，矫顽力升高；
(4)高温停留时间：由于焊后高温熔池金属冷却速度极快，急热急冷将导致焊缝成分过冷，从而软磁性降低。
目前，坡莫合金常用的焊接方法主要为非熔化极气体保护焊(TIG)、熔化极气体保护焊(MIG)和电子束焊接(EBW)等。采用非熔化极气体保护焊(TIG)和熔化极气体保护焊(MIG)时，焊接过程热输入大，焊接变形严重，焊后需要二次矫形，同时焊后接头软磁性仅为母材的60％，难以满足实际生产使用需求。哈尔滨工业大学樊子楠等人提出真空电子束与定向凝固技术相结合的方式，解决坡莫合金焊接接头软磁性下降的问题；结果表明，焊接接头的软磁性可达母材的90％，但此焊接方法需要在真空条件下进行，被焊工件尺寸受到真空仓限制，同时焊接成本较高。因此开发一种提高坡莫合金软磁性、高效、低成本的焊接方法具有十分重大的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法，以解决坡莫合金焊后接头软磁性下降严重，难以满足使用的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法，它包括以下步骤：
步骤1：对坡莫合金板进行坡口加工，焊前对坡莫合金板进行焊前清理及预热处理并放入夹具中，完成待焊试板装夹；
步骤2：使用保护气罩通入保护气对焊接过程进行保护，调整激光束与试板表面法线方向夹角；
步骤3：设置激光焊接参数及摆动参数，进行焊接；
步骤4：单层焊接结束后，将待焊试板翻转进行双面焊接，清理焊道去除氧化膜，清理结束后并进行预热处理，达到预热温度后放入夹具中，完成待焊试板装夹，继续重复步骤3，完成焊接；
步骤5：将焊接完成的试板进行焊后热处理，设置热处理参数，完成坡莫合金结构件加工。
更进一步的，所述步骤1中焊前清理包括对试板进行打磨和清洗，经过丙酮超声清洗10min～15min，然后用清水冲洗烘干，去除表面油污和氧化物。
更进一步的，所述步骤1中坡莫合金板厚度为0.5mm～10mm。
更进一步的，所述步骤1中坡口为I形坡口。
更进一步的，所述步骤1中预热处理温度为100℃～300℃。
更进一步的，所述步骤2中激光束与试板表面法线方向夹角为5°～15°。
更进一步的，所述步骤2中使用的保护气为纯度99.99％～99.999％的氩气，保护气流量为15L/min～30L/min。
更进一步的，所述步骤2中保护气采用焊前提前送入保护气，焊后滞后停止保护气的形式。
更进一步的，所述步骤3中激光焊接参数及摆动参数为圆形摆动模式。
更进一步的，所述圆形摆动模式的摆动频率为50Hz～200Hz，摆动幅度为0.5mm～2mm；激光功率为2kW～7kW，离焦量为-10mm～+10mm，焊接速度为1m/min～3m/min。
更进一步的，所述步骤4中清理焊道采用机械打磨或激光清洗的方式。
更进一步的，所述步骤4中将待焊试板焊接完成面翻转180°。
更进一步的，所述步骤4中预热处理温度为100℃～300℃。
更进一步的，所述步骤5中焊后热处理为在氢气氛围中两段退火。
更进一步的，所述两段退火的热处理参数为：第一段退火在900℃～1000℃范围内加热3小时，第二段退火在1000℃～1100℃范围内加热3小时，之后快速冷却至300℃后随炉冷却至室温。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法，本发明将焊前预热、摆动激光束、双面焊接成形和焊后热处理的方式相结合，应用于坡莫合金的焊接中。通过焊前预热，降低焊接所需的激光功率，进而降低焊接峰值温度，避免急热急冷导致焊接接头发生成分偏析，进一步提高接头软磁性；通过激光束摆动改善焊接接头Si元素偏析，同时降低因成分过冷导致的焊接接头各向异性，使晶体由各项异性趋于各向同性，增加晶体易磁化(111)方向晶体的生长，进一步提高接头软磁性；通过双面焊接抵消焊接塑性变形量，降低对磁畴壁移动的阻碍，进一步提高接头软磁性；通过焊后去应力热处理降低位错对磁畴壁的阻碍作用，进一步提高接头软磁性。本发明通过以上四种措施，大幅提高坡莫合金焊接接头的软磁性，为提高坡莫合金焊接接头软磁性提供了新方法。
通过焊前预热、双面焊接、摆动激光束与焊后热处理相结合，应用于提高坡莫合金软磁性的焊接中。为保证本发明专利坡莫合金焊接接头软磁性与母材相当的效果，必须将以上四种措施按顺序依次结合实施。如果未进行焊前预热，会导致焊接过程能量密度提升，激光功率升高，导致焊接接头高温停留时间过长发生非磁性元素Si偏析，降低接头软磁性；如果未进行双面焊接，焊接过程应力无法抵消，导致焊接接头变形量增大，位错密度升高阻碍磁畴壁移动，降低接头软磁性；如果未采用摆动激光束，发生非磁性元素Si偏析，焊接接头趋于各向异性，减少易磁化(111)方向晶体的生长，降低接头软磁性；如果焊后未进行热处理，接头残余应力无法消除，位错密度仍处于较高水平阻碍磁畴壁移动，降低接头软磁性。因此必须将四种措施按顺序紧密结合起来，最终才能实现焊接接头软磁性显著提高的效果。
本发明专利在保证焊接质量的前提下，与非熔化极气体保护焊(TIG)、熔化极气体保护焊(MIG)(接头软磁性达到母材的60％)和电子束焊接(需要在真空条件下进行)相比，本发明专利在实现坡莫合金焊接接头软磁性大幅度提升，焊接接头软磁性与母材相当，同时降低焊接成本，接头软磁性可以满足工业上的使用要求，本发明专利可以实现在工业上大范围推广应用。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的焊接接头正面宏观形貌图；
图2为本发明所述的焊接接头背面宏观形貌图；
图3为本发明所述的焊接接头表面渗透测试正面图；
图4为本发明所述的焊接接头表面渗透测试背面图；
图5为本发明所述的焊接接头X射线测试图；
图6为本发明所述的焊接接头变形量测试结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参见图1-6说明本实施方式，一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法，它包括以下步骤：
步骤1：对坡莫合金板进行坡口加工，焊前对坡莫合金板进行焊前清理及预热处理并放入夹具中，完成待焊试板装夹；
步骤2：使用保护气罩通入保护气对焊接过程进行保护，调整激光束与试板表面法线方向夹角；
步骤3：设置激光焊接参数及摆动参数，进行焊接，保证焊接质量，减少焊接缺陷；
步骤4：单层焊接结束后，将待焊试板翻转进行双面焊接，清理焊道去除氧化膜，清理结束后并进行预热处理，达到预热温度后放入夹具中，完成待焊试板装夹，继续重复步骤3，完成焊接；
步骤5：将焊接完成的试板进行焊后热处理，设置热处理参数，完成坡莫合金结构件加工。
本实施例中，所述步骤1中焊前清理包括对试板进行打磨和清洗，经过丙酮超声清洗10min～15min，然后用清水冲洗烘干，去除表面油污和氧化物，坡莫合金板厚度为0.5mm～10mm，坡口为I形坡口，预热处理温度为100℃～300℃。
所述步骤2中激光束与试板表面法线方向夹角为5°～15°，避免激光反射对激光器造成损伤，所述步骤2中使用的保护气为纯度99.99％～99.999％的高纯度氩气，保护气流量为15L/min～30L/min，所述步骤2中保护气采用焊前提前送入保护气，焊后滞后停止保护气的形式，保证焊缝呈银亮色。
所述步骤3中激光焊接参数及摆动参数为圆形摆动模式，所述圆形摆动模式的摆动频率为50Hz～200Hz，摆动幅度为0.5mm～2mm；激光功率为2kW～7kW，离焦量为-10mm～+10mm，焊接速度为1m/min～3m/min，本实施例选用的激光摆动方式及参数并未限于上述参数，满足焊接条件的其他焊接参数适用于本发明专利。
所述步骤4中清理焊道采用机械打磨或激光清洗的方式，去除表面氧化物，将待焊试板焊接完成面翻转180°，预热处理温度为100℃～300℃，焊后热处理为在氢气氛围中两段退火，两段退火的热处理参数为：第一段退火在900℃～1000℃范围内加热3小时，第二段退火在1000℃～1100℃范围内加热3小时，之后快速冷却至300℃后随炉冷却至室温。
本实施例选用1.5mm厚坡莫合金试板，试板加工I形坡口，坡莫合金化学成分如表1所示。
表1坡莫合金化学成分(％)
Figure BDA0003587995590000061
焊接时，先将待焊试板进行机械打磨，经过丙酮超声清洗15min，然后用清水冲洗烘干，去除表面油污和氧化物。将待焊试板预热至300℃，使用夹具夹紧试板。焊前向保护气罩中通入纯度为99.999％的氩气，保护气流量为20L/min；调整激光器与试板夹角为10°；正面焊缝工艺设置激光功率为2.5kW，离焦量+5mm，焊接速度2m/min，摆动频率50Hz，摆动幅度2mm。正面焊接完成后，机械打磨清理待焊处，采用与正面焊相同的焊前预热和焊接工艺完成背面焊接。焊接完成后对焊接接头进行热处理，在氢气氛围中两段退火；第一段退火950℃加热3小时，第二段退火1050℃加热3小时，快速冷却至300℃后随炉冷却至室温，完成坡莫合金焊接结构件加工。
焊接接头正面和背面宏观形貌图如图1和图2所示，由图1和图2可知，焊缝表面均匀且致密未见明显焊接缺陷。焊接接头表面渗透测试结果如图3和图4所示，由图3和图4可知，焊缝表面无微裂纹等缺陷。焊接接头X射线测试结果如图5所示，由图5可知，焊接接头无气孔、未熔合、裂纹等缺陷。焊接接头变形测试如图6所示。由图6可知，焊接接头变形量很小，仅在焊接头部和尾部焊接变形量接近2mm其余部位焊接接头变形量均小于1mm。焊接接头软磁性测试结果如表2所示，由表2可知，焊接接头的软磁性与母材相当，由此可以证明本焊接方法的有效组合可以显著提高坡莫合金焊接接头软磁性，本发明专利切实可行。
表2坡莫合金焊接接头软磁性测试结果
Figure BDA0003587995590000071
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (14)

1.一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤1：对坡莫合金板进行坡口加工，焊前对坡莫合金板进行焊前清理及预热处理并放入夹具中，完成待焊试板装夹；
步骤2：使用保护气罩通入保护气对焊接过程进行保护，调整激光束与试板表面法线方向夹角；
步骤3：设置激光焊接参数及摆动参数，进行焊接；
步骤4：单层焊接结束后，将待焊试板翻转进行双面焊接，清理焊道去除氧化膜，清理结束后并进行预热处理，达到预热温度后放入夹具中，完成待焊试板装夹，继续重复步骤3，完成焊接；
步骤5：将焊接完成的试板进行焊后热处理，设置热处理参数，完成坡莫合金结构件加工；
所述步骤5中焊后热处理为在氢气氛围中两段退火。
2.根据权利要求1所述的一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法，其特征在于：所述步骤1中焊前清理包括对试板进行打磨和清洗，经过丙酮超声清洗10min～15min，然后用清水冲洗烘干，去除表面油污和氧化物。
3.根据权利要求1所述的一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法，其特征在于：所述步骤1中坡莫合金板厚度为0.5mm～10mm。
4.根据权利要求1所述的一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法，其特征在于：所述步骤1中坡口为I形坡口。
5.根据权利要求1所述的一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法，其特征在于：所述步骤1中预热处理温度为100℃～300℃。
6.根据权利要求1所述的一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法，其特征在于：所述步骤2中激光束与试板表面法线方向夹角为5°～15°。
7.根据权利要求1所述的一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法，其特征在于：所述步骤2中使用的保护气为纯度99.99％～99.999％的氩气，保护气流量为15L/min～30L/min。
8.根据权利要求1所述的一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法，其特征在于：所述步骤2中保护气采用焊前提前送入保护气，焊后滞后停止保护气的形式。
9.根据权利要求1所述的一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法，其特征在于：所述步骤3中激光焊接参数及摆动参数为圆形摆动模式。
10.根据权利要求9所述的一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法，其特征在于：所述圆形摆动模式的摆动频率为50Hz～200Hz，摆动幅度为0.5mm～2mm；激光功率为2kW～7kW，离焦量为-10mm～+10mm，焊接速度为1m/min～3m/min。
11.根据权利要求1所述的一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法，其特征在于：所述步骤4中清理焊道采用机械打磨或激光清洗的方式。
12.根据权利要求1所述的一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法，其特征在于：所述步骤4中将待焊试板焊接完成面翻转180°。
13.根据权利要求1所述的一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法，其特征在于：所述步骤4中预热处理温度为100℃～300℃。
14.根据权利要求1所述的一种提高坡莫合金软磁性的焊接方法，其特征在于：所述两段退火的热处理参数为：第一段退火在900℃～1000℃范围内加热3小时，第二段退火在1000℃～1100℃范围内加热3小时，之后快速冷却至300℃后随炉冷却至室温。
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1J79软磁合金薄板脉冲激光焊焊缝成形研究;孙荣;《应用激光》;20190430;第39卷(第2期);第235-238页 *

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CN114700623A (zh) 2022-07-05

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